Ein Ansatz zur dynamischen Charakterisierung und Bewertung von nichtlinearen Schwingungssystemen anhand des Beispiels Fliehkraftpendel = An approach for dynamic characterization and evaluation of nonlinear vibration systems using the example of a centrifugal pendulum absorber

Fliehkraftpendelsysteme zählen aufgrund ihrer kompakten Bauweise und effizienten Schwingungsreduzierung zu den bewährten Komponenten für die Reduzierung von Schwingungen in modernen Kraftfahrzeugen (Kfz).
Sowohl für konventionelle, verbrennungsmotorische Systeme als auch für teil-elektrifizierte Hybridantriebe haben die schwingungsreduzierenden Maßnahmen in der Antriebsstrangentwicklung eine zunehmende Bedeutung zur Erfüllung von Komfortzielen bezüglich der Geräusche und Vibrationen im Fahrzeuginnenraum. Besonders der immer kleiner werdende Bauraum für die Systeme zur Schwingungsreduzierung erfordert eine stetige Weiterentwicklung des vielseitig einsetzbaren Fliehkraftpendels (FKP).
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Für die zielgerechte Optimierung von FKP-Systemen hinsichtlich ihrer schwingungsreduzierenden Eigenschaften bedarf es neben der Abstimmung der FKP-Ordnung an das jeweilige Gesamtsystem sowie der Gestaltung von wesentlichen Funktionsparametern zur Speicherung der Schwingungsenergie aus dem Antriebsstrang, insbesondere das Wissen über das dynamische Systemverhalten. Nichtlineare Effekte im FKP-Rückstellmoment reduzieren mit steigender Pendelauslenkung maßgeblich das Tilgungspotential des FKP durch eine selbstinduzierte Einleitung von Schwingungen in höheren Frequenzen in das Gesamtsystem. Mit den vorhandenen Validierungswerkzeugen konnten in der Vergangenheit keine oder nur unzureichende Erkenntnisse über die gezielte Beeinflussung dieser Effekte im FKP erlangt werden.
Um die bisher bekannten Validierungsansätze in der FKP-Entwicklung effizient zu unterstützen, wird in dieser Arbeit eine Methode zur dynamischen Charakterisierung und Bewertung von FKP-Systemen hinsichtlich ihres nichtlinearen Systemverhaltens entwickelt. Aufbauend auf einer umfassenden Analyse der Gestalt-Funktions-Zusammenhänge eines FKP-Systems, die Aufschluss über die Entstehungsmechanismen des nichtlinearen Systemverhaltens und deren mögliche Beeinflussung gibt, wird eine Bewertungssystematik abgeleitet. Um zusätzlich bislang nicht zugängliche FKP-Größen wie Rückstellmoment und Pendelauslenkung zu erfassen, wird eine bewährte Validierungsumgebung für FKP-Systeme modifiziert und eine Testprozedur festgelegt, um das dynamische Systemverhalten des FKP experimentell zu ermitteln.
Der experimentelle Einsatz beweist schließlich die Anwendbarkeit der Methode zur Quantifizierung des nichtlinearen Wirkzusammenhangs zwischen Rückstellmoment und Pendelauslenkung. Die Forschungsergebnisse belegen, dass durch den Einsatz der erarbeiteten Bewertungsmethode schnell und effizient Erkenntnisse für zukünftige Produktgenerationen gewonnen werden können.

Centrifugal pendulum absorbers (CPA) are tried and tested components to attenu-ate torsional vibrations in modern motor vehicles because of their compact design and efficiency to reduce amplitudes of vibrations.
To meet the comfort goals in regards of noise, vibrations and harshness (NVH) vibration reducing measures are gaining importance for the powertrain development, both for conventional combustion engines or partially electrified hybrid systems. As the available space for the devices of torsional vibration reduction steadily decreases, it is paramount to continuously develop the versatilely usable CPA.
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Key tasks for the development of CPA devices include tuning the CPA order according to the main system and designing embodiment function elements to store the oscillation energy. Furthermore, targeted optimization of the systems to provide maximum performance in reducing torsional vibration particularly requires knowledge of the dynamic system behavior. As consequences of increasing oscillating pendulum amplitudes and non-linear effects in the CPA restoring torque significantly reduce the vibration damping potential of the CPA through self-induced vibrations at higher frequencies into the main system. Up to now, the existing validation tools could not – or not sufficiently – provide insights on how to specifically influence these effects of the CPA.
In order to close this gap in the existing body of knowledge and efficiently support the previously known validation approaches about CPA development, this thesis develops a method for the dynamic characterization and evaluation of CPA devices with regards to their non-linear behavior. Based on a comprehensive analysis of CPA embodiment function elements, which provides information about the funda-mental mechanisms of the non-linear system behavior and their possible influence, the thesis develops an evaluation system. In addition to recording previously inaccessible CPA characteristics, such as restoring torque and oscillating pendulum amplitudes, the thesis modifies a tried and tested validation environment for CPA devices and establishes a test procedure to determine the dynamic system behavior of the CPA experimentally.
Finally, the experimental application proves the feasibility of the method to detect and to quantify the non-linear relationship between restoring torque and oscillating pendulum amplitudes. The research results also verify the efficient usage of the evaluation method in generating knowledge for future product generations.